At tage konkrete skridt mod lavere kuldioxidemissioner

Det sværeste ved beton kan bare være problemet med, hvordan man laver det allestedsnærværende byggemateriale på en miljøvenlig måde. Nylige laboratorieresultater ved Princeton University indikerer, at udfordringen med at lave grønnere beton med tiden kan blive revnet.

Beton giver anledning til bekymringer om klimaændringer, fordi fremstillingen af ​​dens primære komponent, Portland cement, er ansvarlig for så meget som 8 procent af menneskets kuldioxidudledning. Endnu værre fra et miljømæssigt synspunkt, forudsigere forudsiger, at Portland cementproduktionen vil fordobles i løbet af de næste 30 år.

Der er mulige erstatninger for Portland cement. En mulighed, kaldet alkali-aktiverede materialer, lover at udføre samme funktion og reducere cementrelaterede kulstofemissioner med op til 90 procent. Undersøgelser har vist, at alkali-aktiverede materialer er lige så stærke som Portland cement. Men der er relativt få langsigtede data om den grønnere cements holdbarhed - et nøglespørgsmål for nogen, der bygger en struktur, der holder årtier eller mere.

Forskere ved Princeton og andre institutioner har arbejdet på at løse manglen på information om de nye cementerstatninger. Claire White, en adjunkt i civil- og miljøteknik og Andlinger Center for Energi og Miljø, sagde, at det kan være udfordrende i laboratoriet at simulere præcist den langsigtede holdbarhed af beton. Men informationen er kritisk, hvis industrien skal tage materialet til sig.

"En af grundene til, at alkaliaktiverede materialer ikke er meget udbredt, er mangel på teststandarder på nationalt plan, " sagde White.

I de seneste år, Whites forskergruppe har brugt forskellige metoder til både at måle den langsigtede holdbarhed af cementalternativer og foreslå måder at eliminere materialers svagheder på. I en rapport, hendes hold kiggede på små revner, der udvikler sig, efterhånden som nogle alkali-aktiverede materialer ældes; fordi revnerne markant kan reducere styrken over tid, forskerne foreslog at tilføje små mængder zinkoxidnanopartikler for at reducere revnedannelsen.

"Vi har brugt og studeret Portland cementer i næsten 200 år, så vi forstår meget om, hvordan de forringes over tid og under forskellige miljøforhold, sagde Maria Jünger, en professor i civilsektionen, arkitektonisk og miljøteknik ved University of Texas-Austin. På den anden side, Juenger sagde, "alkali-aktiverede materialer er et nyt dyr, og vi skal bruge mange kræfter på at studere deres holdbarhed, før vi bruger dem i strukturer [fordi] uforudsete fejl kan være dyre."

I en artikel offentliggjort 15. juni i Journal of American Ceramic Society , Whites forskerhold beskriver en ny tilgang til at evaluere det alkaliaktiverede materiales permeabilitet. Permeabilitet er en kritisk svaghed for enhver cement, fordi kemikalier såsom kuldioxid, sulfater eller klorid, der trænger ind i en betonkonstruktion, kan svække betonen samt korrodere det stål, der bruges som forstærkning til de fleste moderne bygninger.

Permeabilitet er et vigtigt mål for en cements holdbarhed, men det er meget svært at måle præcist i et laboratorium, White forklarede. Det skyldes, at de mest almindelige metoder til at teste permeabilitet kræver, at forskere enten forbehandler cementen eller bruger højt tryk til at tvinge væske gennem en prøve. Begge gør testen mindre repræsentativ for virkelige forhold.

For at løse dette problem, Whites forskergruppe brugte en metode kaldet en strålebøjningstest, som ikke typisk bruges til at måle permeabilitet. I testen, en vandret cylinder af cement er understøttet i begge ender, mens en nedadgående kraft påføres mod midten af ​​cylinderens overside, får det til at afbøje. Ved at måle den måde, cylinderen reagerer på afbøjningen over tid, forskerne var i stand til at beregne, hvordan væsken bevæger sig gennem de små porer inde i cementen.

I en række tests, Catherine Eiben, en tidligere kandidatstuderende i Whites laboratorium, målt permeabiliteten af ​​alkali-aktiveret materiale fremstillet af en natriumhydroxidopløsning og slagger, et biprodukt af jernproduktion. Anna Blyth, en voksende senior, udførte en anden række målinger ved hjælp af materialet, men ændrede opløsningen, så materialet indeholdt opløseligt silica. Forskerne fandt ud af, at den første version af alkaliaktiveret materiale var mere permeabelt end Portlandcement; men silicaversionen havde markant lavere permeabilitet.

"Det var ret spændende," sagde Blyth, som udførte testene som en del af hendes bachelor uafhængige forskning. "Det arbejde, professor White udfører i sit laboratorium, har vigtige konsekvenser for industrien og vil forhåbentlig bidrage til at gøre det muligt at skabe standarder og koder til at håndtere implementeringen af ​​miljøvenlige erstatninger for Portland cement."

White sagde, at resultaterne er et opmuntrende skridt. Men hun sagde, at det ikke baner vejen fuldstændigt for den nye type cement. Selvom permeabilitet er et nøglemål for holdbarhed, prøver med lav permeabilitet kan lide af andre potentielle problemer.

"Den type materiale, der klarer sig rigtig godt på permeabilitet - dem med meget små porestørrelser - er nogle gange sårbare over for mikrorevner, "sagde hun." Vi ved godt, at det er sandt for disse silikataktiverede slaggercementer. "

White sagde, at fremtidigt arbejde i hendes laboratorium planlægger at løse det knækkende spørgsmål.

"Vi ønsker at udvikle nye metoder til at opnå nøjagtige data om, hvordan disse materialer vil fungere over tid, " sagde hun. "Dette vil hjælpe med implementeringen af ​​bæredygtige alternativer i byggebranchen."